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生物标志化合物是保存在古生物化石或沉积物中的、源于生物体的一系列有机分子,其分布特征、结构、演化模式等变化可以提供有关古生物和环境的信息,比如姥鲛烷与植烷的比值(Pr/Ph)对于判断原始沉积环境的氧化,还原条件有重要意义。石油中存在生物标志化合物也是石油有机成因说的有力论证。生物标志物随石油在地层中迁移,经历了不同的地质环境,形态与前体有了较大的区别,现阶段的研究都是将其作为标准物质来探寻石油的来源及沉积环境,而对于它们在漫长地质演化过程中的稳定性关注不够。
本文选取的生物标志化合物——姥鲛烷,是热稳定性和抵抗微生物侵蚀能力较强的类异戊二烯烃。利用金刚石压腔实验体系模拟出石油的温压条件,研究纯体系和含水体系中的姥鲛烷,从分子级别来分析姥鲛烷的结构性质,观察它能否在石油生成的温压条件下稳定存在,验证其作为支持石油有机成因证据的合理性。
为了验证不同条件下姥鲛烷的稳定性,本论文选择了4个不同的姥鲛烷体系,分别是:常温高压下的纯姥鲛烷体系;高温高压下的纯姥鲛烷体系;高温高压下的纯水-姥鲛烷体系;高温高压下的1:1重水(1:1D2O/H2O)-姥鲛烷体系。每个体系根据具体的实验目的进行不同的实验系列。
实验时将所研究体系作为传压介质。常温高压实验中,每加一次压力停留一段时间,使整个体系达到均一状态;高温高压实验中,当体系达到压力平衡时开始升温,温度梯度约为50℃。达到预定温度后,降至常温。重复加压升温实验过程,直到体系发生相变,完成整个系列实验。每当体系均一后,开始拉曼光谱、红外光谱的测定。
根据不同温压条件下不同体系的姥鲛烷光谱数据,可以得到如下结论:
(1)纯姥鲛烷体系的常温高压实验表明,随着压力增大,C-H伸缩振动的拉曼位移线性增大,判断体系的突变可以用有效峰位置的变化;体系常温液固相变的压力区间在1.58GPa和1.69GPa之间;常温高压下,姥鲛烷化学性质稳定。
(2)纯姥鲛烷体系的高温高压实验表明,在常温至350℃的范围内,姥鲛烷未发生化学变化:姥鲛烷在1400MPa到2400MPa,常温到318℃范围里有一个固-液两相共存的区域;温度大于238℃、压力大于2.8GPa可能出现固相相变。
(3)水-姥鲛烷体系的高温高压实验表明,温度小于270℃、压力小于140MPa,姥鲛烷与水没有发生反应;200MPa以下,340℃至371℃之间,姥鲛烷会与水反应,生成羰基化合物和端部有双键的烯烃,还有可能有醇类物质;压力、温度增高可以使水和姥鲛烷两相的互溶性增加;温度大于345℃、压力大于700MPa,水与姥鲛烷之间出现新的作用形式或组成方式;水的存在降低了姥鲛烷的热稳定性。
因此,当石油的生成、运移和储藏过程的温压条件在姥鲛烷的稳定存在范围内,可以用它的存在来证明石油是有机成因。